2017電賽微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)方案

1、微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)-參考論文-by電子狂牛中文簡要本文論述是一種采用STC15F2K60S弟片機為核心的SPW逆變電源，單片機通過自然數(shù)查表法控制部的3路硬件PW嘿塊生成SPWMK沖信號，采用雙極性調(diào)制方案驅(qū)動三相全橋逆變電路，輸出經(jīng)LC低通濾波器濾波，最后在負載上得到穩(wěn)定的正弦波交流電。其正弦波輸出頻率由單片機部程序控制調(diào)節(jié)。另外本系統(tǒng)外接按鍵，按鍵能設定開場與停止。關鍵詞：SPWM雙極性調(diào)制，三相逆變，STC單片機DesignofaSingle-phaseInverterPowerSupplyAbstractThisarticlediscussesausePIC16F1937microcont

2、rollercoreofSPWMnverter,twointernalmicrocontrollerhardwarePWMmodulegeneratesSPWMpulsesignalmodulationschemebipolardrivethree-phasefull-bridgeinvertercircuitcontrolledbyanaturalnumberlook-uptable,OutputbytheLClow-passfilter,andfinallygetastablesinewaveACtotheload.Itssinewaveoutputfrequencyisadjustedb

3、yprogramcontrolMCU.InadditionthesystemexternalbuttonsandLCDscreen,powerbuttoncanbesettostartandstop,theLCDscreencandisplayreal-timeinputvoltageandoutputcurrent,outputsinewavefrequency,sothatthesecurityandstabilityofthesystemhasbeengreatlyimproved.Keywords:SPWM,bipolarmodulation,phaseinverter,PICmicr

4、ocontrollerH錄前言41.1研究目的與要求41.2相關研究現(xiàn)狀與前景41.3容章節(jié)概述5系統(tǒng)分析62.1逆變器的根本概念與工作原理6正弦波逆變器的電路構(gòu)成6常用的逆變器調(diào)壓方法：62. 2逆變器的根本類型62. 3PWM控制技術73. 1總體原理圖103. 2電路原理圖112.1單片機的選擇113.2.2濾波電路113.2.5場效應管的選擇123小結(jié)134程序設計133. 1程序選擇說明134. 2SPW依表145.1系統(tǒng)仿真175.2實物照片182單片機輸出波形測試185.2.1測試儀器185.1示波器195.2.2測試方法195.2.3測試結(jié)果194測試結(jié)論206總結(jié)206.1結(jié)

5、論總結(jié)20附錄：21程序代碼21刖曰1.1研究目的與要求掌握正弦波逆變器的電路的組成，重點明白其中中各元器件的原理與用處，對正弦波逆變電路在電阻負載、電阻電感負載是的工作情況與其波形作全面分析，并研究工作頻率對電路工作波形的影響。采用SPWIffi制方式對逆變橋進展調(diào)制，最后經(jīng)電容、電感過濾實現(xiàn)正弦波逆變的目的。1.2相關研究現(xiàn)狀與前景逆變電源的開展與和電力電子器件的開展息息相關，可以說電力電子器件器件的開展引導著逆變電源的開展。上世紀60年代正是電力電子技術飛速開展的時期，逆變電源就是在這個時期產(chǎn)生的，直到現(xiàn)在，逆變電源已經(jīng)經(jīng)過了三代的開展。最初的逆變電源用的是晶閘管作為逆它的開關器件，稱為

6、可控硅逆變電源，但是因為早期晶閘管沒有自關斷的能力，即使增加了換流電路使其擁有了這種能力，但換流電路的復雜結(jié)構(gòu)和極低的效率等原因卻使逆變電源下一步的開展進退維谷。從上世紀70年代末開場，許多自關斷器件相繼被創(chuàng)造出來，例如可關斷晶閘管、電力晶體管等，這也促進了逆變電源的開展，于是使用自關斷器件作為開關器件的逆變器產(chǎn)生了，這就是第二代逆變電源，使用了自關斷器件的逆變器它逆變電源的性能獲得了極大的提升，使用了自關斷器件的逆變器與初代逆變器相比有了許多優(yōu)點，首先因為有了自關斷功能，所以不再需要換流電路，這樣使主電路得到簡化以至于降低了本錢；其次由于逆變器使用了自關斷器件，以至于其性能相比初代得到了極大

7、的提升。這一代的逆變電源通常采用帶輸出電壓有效值反應的SPWIffi制技術來控制。這一代的逆變器擁有簡單的結(jié)構(gòu)和容易實現(xiàn)的優(yōu)點，但也并不意味這他沒有缺點，由于它沒有考慮信號傳輸過程中開關點的變化與負載的影響，所以還是有不少的缺點的，首先它如果負載是非線性的就沒有良好的適應能力，非線性的負載會使輸出電壓的波形發(fā)生畸變；其次因為沒有瞬時值的反應所以它的動態(tài)特性也不好；最后因為有控制不到的時間域，同樣會使輸出的電壓波形發(fā)生畸變。這些缺點使得第二代逆變電源依然不夠完善。隨著近十年來新型電源控制技術的蓬勃開展，針對第二點逆變電源的缺點創(chuàng)造了實時反應控制技術這也使得第三代逆變電源應運而生，三代逆變電源使用

8、了這種技術乂一次使逆變電源的性能提高了，同時還彌補了第二代的缺點，這種技術到目前為止還在不斷地被完善，實時反應控制技術擁有許多種，基于對動態(tài)性能和適應性等方面的考慮目前被廣泛采用的技術是帶電流環(huán)的電壓瞬時值反應控制。1.3容章節(jié)概述本文主要從系統(tǒng)分析、硬件設計、程序設計和實驗測試四個方面闡述“三相SPW逆變電路的設計"。開場概述逆變器根本概念原理和SPWIffi制技術，硬件設計介紹本次設計系的統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，簡要說明了單片機的選型、半橋驅(qū)動電路等，軟件設計主要說明本設計的程序流程圖；實驗局部通過對設計電路的測試，說明試驗結(jié)果。系統(tǒng)分析2.1逆變器的根本概念與工作原理如下圖，本電路由兩局部

9、組成，將交流轉(zhuǎn)化為直流的這個局部屆丁整流，整流器的作用是把交流電轉(zhuǎn)化為直流電，這個過程可以是不可控的，也可以是可控的，這局部采用不可控的二極管將交流變成直流。整流之后采用用電容進展濾波，濾波器的作用是將波動的直流量過濾成平展穩(wěn)定的直流量，整個過程無論是從結(jié)構(gòu)上還是性能上都能滿足實驗要要。最后直流變交流的局部為逆變局部，逆變器的作用是將直流電轉(zhuǎn)化為交流電經(jīng)過電感濾波后然后供應負載，這里的LC濾波是為了濾除高次諧波，得到到正弦波，而逆變器因為它輸出的電壓和頻率與輸入的交流電源無關所以為稱為無源逆變器，它是正弦波逆變電路的核心，這里采用采用三相橋式逆變電路,用PWMI制調(diào)節(jié)輸出電壓與頻率的大小。可控

10、整流器調(diào)壓：通過負載對電壓的要求，使用可控的整流器來完成對逆變器輸出電壓的調(diào)節(jié)。直流斬波器調(diào)壓：在確定逆變器的電源側(cè)有較高功率的情況下，通過不可控整流器可以在直流環(huán)節(jié)過設置改變直流斬波器來進展對電壓的調(diào)節(jié)。逆變器自身調(diào)壓：在采用不可控整流器的前提下逆變器能用自身的電子開關進展斬波控制,這樣就可以得到脈沖列，通過改變輸出電壓脈沖列的脈沖寬度，就可達對輸出的電壓進展調(diào)節(jié)，這種方法被稱為脈寬調(diào)制PWM2.2逆變器的根本類型如果是直流輸入端濾波器，那么它可以分為兩種，分別是電流型和電壓型，其中電流型逆變器它的中間局部采用的是大電感進展濾波，這樣的輸入電流的特點是具有阻抗大電流平，就仿佛似電流源，而電壓

11、型逆變器的中間局部那么采用大電容進展濾波，這樣的逆變器的輸入電壓的特點是阻抗小且電壓平直，就仿佛電壓源。而如果按電子開關的頻率進展區(qū)別那么同樣可分為兩種分別是120。的導電型逆變器和180。的導電型逆變器2.3PWM控制技術PWM空制技術翻譯過來就是脈寬調(diào)制技術，它是原理是假設有一系列的脈沖想要變成需要的波形，那么就可以通過等效法對脈沖的寬度進展改變來等效著獲得需要的波形，波形包含形狀和幅值，這種控制的想法來源丁丁通信技術。隨著全控型器件的飛速開展可以十分輕松的把pw疏制技術實現(xiàn)，而且這種PWM6制技術在電力電子類方面的用處非常大且極其普遍，各種電力電子裝置通過使用它而在性能方面得到了極大的改

12、變，所以它在電力電子技術的整個歷史擁有著舉足輕重的地位，而pwr®制技術能在電力電子技術中擁有這種舉足輕重的地位主要還是因為它在逆變電路中被完美的應用了，直到目前為止pwM6制技術被普遍采用與各式各樣的逆變電路oIIIII等寬不等幅等幅不等寬I4I494面積（沖量）相等寬度按正眩規(guī)律變化改變幅值Ur卜.濟若要改變曾效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。U至今為止PWM空制技術已被運用到了大多數(shù)的逆變電路之中，這種逆變電路既有電流型乂電壓型而后者被用到的更多。有兩種方法法可以獲得PW璇形，它們分別是通過計算獲得和通過調(diào)制獲得，其中前者是根據(jù)正弦波的一系列數(shù)據(jù)進展準確計算得出每

13、個脈沖的寬度和他們之間的間隔，以此來操控開關器件的通斷來得到PWNK形；而后者是把調(diào)制信號的比作想要輸出的波形，通過對信號進展調(diào)制來得到想要的PWM形。按一定方法對電壓的輸出脈沖列里面的各脈沖寬度進展改變從而使得使電壓的輸出脈沖列在周期的時間相對丁均值按正弦的規(guī)律變化，這就是SPWM這種技術把等腰三角波電壓當做載波信號，而調(diào)制信號那么用正弦波電壓，最后把這兩種信號進展比對，以此來確定每個分段的矩形脈沖的寬度。UrUOuUOU在采用雙極性PWM制技術時候，把信號波用這種方法得到的交流正弦輸出波替代同時把載波用三角波替代，將這二者進展比照，各開關的通斷在這兩種波的交點時刻進展改變，由此可以看出在信

14、號波的一個周期，無論是載波還是調(diào)制來的輸出波形都是正負皆有，所以它其輸出波形具有土Ud兩種電平，把信號波和載波分別用ur和uc來表示，當信號波大丁載波的時刻，同時施加開通和關斷信號，其中開通信號給V1和V4關斷信號給V2和V3,此時如果io是大丁零的那么V1和V4開通反之那么是VD1和VD4開通，但是它們的電壓輸出都是uo等丁Ud同理當載波大丁信號波的時候，那么用同樣的方法可以得到V2和V3或著VD2和VD3開通的結(jié)果，不同的是它們的電壓輸出卻是uo等丁負的Ud。2.4SPWM逆變器的工作原理SPW逆變器的主題思路就是有一個逆變器，希望它輸出的電壓波形是正弦的，因為至今為止以現(xiàn)在的技術造出的可

15、以改變頻率和電壓的逆變器無法像正弦波逆變器那樣的小體積大功率且輸出波形光滑。現(xiàn)在的SPW逆變器都采用的是等效原理實現(xiàn)的，即讓逆變器輸出的波形是一系列的和正弦波一樣效果的雖不等寬但等幅的矩陣脈沖波形，它的主題思想方法就是等面積法。3硬件設計本正弦波逆變器主要用的是SPWIK制技術，整體的電路具有簡單的結(jié)構(gòu)而且在機械特性方面也表現(xiàn)良好同時價格也比擬低廉，這樣的設計能完美到達題目的需求并且已經(jīng)在各種相關的行業(yè)里被普遍采用。3.1總體原理圖本系統(tǒng)主要采用的硬件濾波電路、三相全橋逆變電路、LC濾波器、單片機、按鍵設置電路、顯示模塊、電壓檢測電流，電流檢測電路以與一些外圍電路，具體系統(tǒng)框圖如圖3.1所示。

16、蟬正費波交流璐出三相全橋逆變電路3.1系統(tǒng)框圖3.2電路原理圖l-gg-©-A3.2主回路原理圖從圖3.2中可以看出，直流電輸入后，先通過2個電容申聯(lián)構(gòu)成的濾波電路，得到輸入電壓的一半作為中點電位，作為三相輸出的參考地。在逆變的局部采用了6個金屆氧化物半導體管即MO箏組成了一個三相橋式逆變電路，最后使用用雙極性的調(diào)制方式進展調(diào)制，輸出的SPW形形過經(jīng)電感、電容組成的LC濾波器濾除高次諧波，最后在負載就能獲得三相的純粹弦波交流電壓輸出。3.2.1單片機的選擇本設計所采用的單片機是STC15F2K60S2它能使系統(tǒng)的到充分的實現(xiàn)，部自帶高精度0.4%部振蕩器，它還擁有38個I/O口，該單

17、片機置上電復位電路，有8路10位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換、每個I/O能設置成輸入輸出模式，并且具有具有3路PWM&出，通過軟硬件設計，實現(xiàn)多功能的電機控制。且性價比高，抗靜電，抗干擾，低功耗，低本錢。3.2.2濾波電路濾波電路的作用是把直流電壓過濾，過濾掉其中不平整的脈動，這樣的目的是確保之后的電路環(huán)節(jié)能得到優(yōu)秀質(zhì)量的電壓或電流，本電路的濾波電路局部采用的是電容濾波電路。雖然從理論上來講只要電容值越大那么過濾的效果就越好，但是出丁對實際的考慮無論結(jié)構(gòu)上還是價值上都不能這樣，所以要計算電容的實際大小。通過2個電容申聯(lián)構(gòu)成的濾波電路，得到輸入電壓的一半作為中點電位，作為三相輸出的參考地。3.2.5場

18、效應管的選擇如圖3.3所示的三相全橋電路，其電路中需要用到6個場效應管，電路的A端和B端都要與用電器連接。由丁是市電接入所以要選用擁有足夠大耐壓值的場效應管，本設計選用540場效應管即33A110V的場效應管，這種場效應管無論是從耐壓方面考慮還是從通斷時間方面考慮都能滿足設計的要求。idJL1!=I1isIt3.3三相電橋的電路3.2.6驅(qū)動電路的選擇方案一：基丁三極管等元件組成的驅(qū)動電路，這種驅(qū)動電路的好處是價格廉價且結(jié)構(gòu)簡單，但是本設計的要求的驅(qū)動電路必須高丁電源電壓的電路，所以如果選擇這種驅(qū)動電路就需要再為它增加一個驅(qū)動電源，這無疑增加了設計的難度。3.4三極管分立元件驅(qū)動電路方案二：半

19、橋式驅(qū)動電路，本全橋驅(qū)動電路采用IR2104作為它的驅(qū)動芯片，該芯片的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單性能可靠并且能即大的提升電路的穩(wěn)定性且降低了設計難度。該芯片采用被動式泵荷升壓原理。上電時，電源流過快恢復二極管D向電容C充電，C上的端電壓很快升至接近Vcc,這時如果下管導通，C負級被拉低，形成充電回路，會很快充電至接近Vcc,當PW皿形翻轉(zhuǎn)時，芯片輸出反向電平，下管截止，上管導通，C負極電位被抬高到接近電源電壓，水漲船高，C正極電位這時已超過Vcc電源電壓。因有D的存在，該電壓不會向電源倒流，C此時開場向芯片部的高壓側(cè)懸:浮驅(qū)動電路供電，C上的端電壓被充至高丁電源高壓的Vcc,只要上下管一直輪流導通和截止，

20、C就會不斷向高壓側(cè)懸浮驅(qū)動電路供電，使上管翻開的時候，高壓側(cè)懸浮驅(qū)動電路電壓一直大丁上管的S極。采用該芯片降低了整體電路的設計難道，只要電容C選擇恰當，該電路運行穩(wěn)定。因為本設計的要簡單的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的電路，無疑第二種方法最能到達要求，所以就選擇萬案一。3.3小結(jié)綜合以上的分析論證，本設計采用STC15F2K60S算片機作為控制系統(tǒng)，然后通過單片機通過自然數(shù)查表法控制部的三路硬件PW嘿塊生成SPW嗽沖信號，采用雙極性調(diào)制方案驅(qū)動三相全橋逆變電路，輸出經(jīng)LC低通濾波器濾波，最后在負載上得到穩(wěn)定的正弦波交流電。同時，液晶通過電流電壓檢測電路實時顯示運行狀況?？傮w電路4程序設計3. 1程序選擇說明要完

21、本錢正弦波逆變器的設計除了硬件方面的設計還需要進展開軟件的設計，為了實現(xiàn)單片機的各種功能，軟件程序的編制是不可缺少的。對丁本系統(tǒng)的軟件編程主要有兩種編程語言，分別是匯編和C語言。匯編語言的優(yōu)點是運行速度快但它也存在但難編程和難調(diào)試的缺點，而作為準高級語言的C語言卻具有良好的可讀性，并且調(diào)制過程調(diào)試簡單明了還有很好的移植性好，所以本系統(tǒng)采用C語言來編寫程序，MPLABIDEv8.83作為集成開發(fā)環(huán)境。4. 2SPW呻表根據(jù)正弦波的一系列數(shù)據(jù)進展準確計算得出每個脈沖的寬度和他們之間的間隔，以此來操控開關器件的通斷來得到PW璇形。spwB法按照規(guī)律采用法需要按一樣角度步進將正弦波分成等分,本設計將一

22、個正弦波平均分成分成300等分，計算余弦數(shù)值得到一系列數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)做成程序列表，存儲進單片機的ROME面。ucharcodepwm=(127,124,122,119,116,114,111,108,106,103,100,98,95,93,90,87,85,82,80,77,75,73,70,68,65,63,61,58,56,54,52,50,47,45,43,41,39,37,36,34,32,30,28,27,25,23,22,20,19,18,16,15,14,12,11,10,9,8,7,6,5,4,4,3,2,2,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0

23、,1,1,2,2,3,4,4,5,4,7,8,9,10,11,12,14,15,16,18,19,20,22,23,25,27,28,30,32,34,36,37,39,41,43,45,47,50,52,54,56,58,61,63,65,68,70,73,75,77,80,82,85,87,90,93,95,98,100,103,106,108,111,114,116,119,122,124,127,130,132,135,138,140,143,146,148,151,154,156,159,161,164,167,169,172,174,177,179,181,184,186,189,

24、191,193,196,198,200,202,204,207,209,211,213,215,217,218,220,222,224,226,227,229,231,232,234,235,236,238,239,240,242,243,244,245,246,247,248,249,250,250,251,252,252,253,253,254,254,254,255,255,255,255,255,255,255,255,255,254,254,254,253,253,252,252,251,250,250,249,248,247,246,245,244,243,242,240,239,

25、238,236,235,234,232,231,229,227,226,224,222,220,218,217,215,213,211,209,207,204,202,200,198,196,193,191,189,186,184,181,179,177,174,172,169,167,164,161,159,156,154,151,148,146,143,140,138,135,132,130,127;/反正弦變化要使得其輸出三個相位，相移120。的正弦波形的話，那么三個波形的起始位就得相距離0,n/3*1,n/3*2,也就是0,100,200.4.3程序結(jié)構(gòu)流程圖主程序里面是狀態(tài)位，4個狀

26、態(tài)。狀態(tài)1:模塊1關，模塊2關狀態(tài)2:模塊1開，模塊2關狀態(tài)3:模塊1關，模塊2關狀態(tài)4:模塊1開，模塊2開調(diào)回狀態(tài)14.1主程序流程圖在定時器中斷程序中，通過查表的方式，得到一個單極性spwM形。具體而言，是設定好50HZS俞出正弦波輸出頻率，一個正弦波分辨率為300,這300個數(shù)據(jù)對應的是一個正弦波中的SPWI®占空比。那么每個占空比保持的時間是1/50/30066.666us。那么定時器我們設置為每66.666us進入一次中斷，每進來一次就將此時對應的數(shù)組里面的數(shù)據(jù)賦給硬件PWM給半橋輸入SPWIffi制信號，當次數(shù)超過299次后，數(shù)組乂回到最開場，三個半橋都如此執(zhí)行只是起始數(shù)

27、不一樣，也就是0,100,200.。這樣循環(huán)往復，就得到一個3個完整，相移120°的SPWIK形。經(jīng)過LC濾波器后，就得到3個完美的正弦波。關鍵程序：/*函數(shù)說明：定時器0中斷*/voidTimer0Interrupt(void)interrupt1(TH0=0xFF;/重裝定時器初始值高8位TL0=0xBF;/重裝定時器初始值低8位index_1+;/A相位查表數(shù)值index_2+;/B相位查表數(shù)值index_3+;/C相位查表數(shù)值CCAP0H=CCAP0L=pwmindex_1;CCAP1H=CCAP1L=pwmindex_2;CCAP2H=CCAP2L=pwmindex_3;i

28、f(index_1>299)index_1=0;if(index_2>299)index_2=0;if(index_3>299)index_3=0;一一4.2定時器中斷程序中斷流程圖按鍵程序中主要是控制機器的逆變H橋的工作的使能，按第一下，H橋工作，再按下后取反，H橋停止工作。4.3按鍵程序5系統(tǒng)測試5.1系統(tǒng)仿真Proteus軟件是英國LabCenterElectronics公司出版的EDAX具軟件該軟件中國總代理為風標電子技術。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機與外圍器件。它是目前比擬好的仿真單片機與外圍器件的工具。雖然目前國推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力丁單片機開發(fā)應用的科技工作者的宵睞。Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真軟件），從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCBS計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVRARM8086和MSP430等，2010年乂增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)